三维复合导电水凝胶构建柔性、高能量密度的纤维储能器件

纳米结构的导电聚合物具有优异的电化学活性和较高的导电性,通常被应用于能量存储,催化以及传感等领域。虽然,凝胶态的导电聚合物可以轻松地通过喷墨打印和喷涂的方式来加工成微型电极阵列,但是,制备具有一定机械性能的自支持柔性的导电聚合物材料还存在一定的挑战。最近,德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和四川大学肖丹教授等研究人员在国际知名期刊Advanced Materials上联合发表题为“Stretchable All-Gel-State Fiber-Shaped Supercapacitors Enabled by Macromolecularly Interconnected 3D Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels”的文章,该工作利用氧化石墨烯和具有三维结构的导电聚合物之间的大分子间作用力,制备得到自支持柔性纤维水凝胶电极,并实现了全凝胶态纤维超级电容器的组装,其具有良好机械性能,可塑性和电化学性能

三维复合导电水凝胶构建柔性、高能量密度的纤维储能器件

图1 导电聚合物/石墨烯复合纤维水凝胶电极的制备示意图。

本文中,由于分子间强烈的相互作用,石墨烯与导电聚合物(以聚苯胺为例)稀溶液在室温下混合会迅速形成其二者的复合水凝胶,随后通过塑形和化学还原过程,得到导电性优异的复合凝胶纤维状电极,再以H2SO4/PVA作为凝胶电解液,组装全凝胶态的柔性纤维超电容。文章借助XPS,Raman,IR等表征手段,主要分析了导电聚合物和石墨烯之间的相互作用力,包括π-π堆叠,氢键和静电相互作用等,其中π-π堆叠作用是材料机械性能的关键,使得聚苯胺石墨烯复合凝胶纤维具有比石墨烯更高的应力应变特性。

三维复合导电水凝胶构建柔性、高能量密度的纤维储能器件

图2 导电聚合物/石墨烯复合材料分子间相互作用。

三维复合导电水凝胶构建柔性、高能量密度的纤维储能器件

图3 全凝胶纤维超电容的电化学表征以及机械性能。

随后,不同电流密度下的充放电测试表明了全凝胶态的柔性纤维超级电容器具有优异的电化学性能,由于其良好的可塑性和柔韧性,纤维电容器可以被加工成为弹簧状和交错的织物状的器件,为未来可穿戴能量存储体系提供了思路。余桂华教授和肖丹教授为文章的共同通讯作者,四川大学和德克萨斯大学奥斯汀分校联合培养博士生李盼盼为第一作者。UT Austin余桂华教授研究团队开创并长期致力于三维纳米结构的导电水凝胶多功能材料的研究,受到了国内外学者的广泛关注,在国际知名期刊上发表过许多相关工作,包括:Nature Nanotech., Nature Commun., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., Nano Today, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.,Nano Lett., PNAS等。

Panpan Li, Zhaoyu Jin, Lele Peng, Fei Zhao, Dan Xiao, Yong Jin, Guihua Yu, Stretchable All‐Gel‐State Fiber‐Shaped Supercapacitors Enabled by Macromolecularly Interconnected 3D Graphene/Nanostructured Conductive Polymer Hydrogels, Adv. Mater. 2018, 1800124, DOI: 10.1002/adma.201800124

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参考文献: Adv. Mater.